Journal
OIL AND GAS TECHNOLOGIES AND ENVIRONMENTAL SAFETY SERIES: MARINE ENGINEERING AND TECHNOLOGIES SERIES: FISHING INDUSTRY SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS SERIES: ECONOMICS

VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY (ARCHIVAL)
History Links News Contacts
Submit manuscript
Home / Journals / Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Management, computer science and informatics / Volume 2014 Issue 1 / ROBUST TRACKING SYSTEM WITH COMPENSATION OF PERTURBATIONS AND NOISES
ROBUST TRACKING SYSTEM WITH COMPENSATION OF PERTURBATIONS AND NOISES
Submit manuscript
To cite
Citations:

ROBUST TRACKING SYSTEM WITH COMPENSATION OF PERTURBATIONS AND NOISES
Tsykunov Alexander Mikhailovich 1
Authors:
1.  Astrakhan State Technical University

Type:
Article
Pages:
from 54 to 61
Status:
Published
Received:
05.01.2014
Accepted:
25.01.2014
Published:
25.01.2014
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 681.5
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 32.965.9
Language:
Russian
Keywords:
robust control, state vector, perturbations, noises
Abstract and keywords
Abstract (English):
The problem of tracking of an object compensating perturbations and noises, when the whole vector of state is measured with noises, is solved, and parameters of mathematical model are known. The source of noises and perturbations is one and the same vector signal. The algorithm of the control allowing compensation of the external limited perturbations and noises is received. A numerical example and the results of modeling are given.

Keywords:
robust control, state vector, perturbations, noises
Text
Введение Одной из основных проблем теории автоматического управления динамическими объектами является проектирование алгоритмического обеспечения регулирующих устройств в условиях априорной неопределенности параметров математических моделей объектов и при наличии внешних неизмеряемых возмущений и помех. В таких условиях проектируемая система управления должна обеспечивать выполнение основной цели управления, например слежение за эталонным сигналом с требуемой точностью, что возможно осуществить, если скомпенсировать параметрические и внешние возмущения. Впервые на возможность создания систем управления, нечувствительных к внешним воздействиям, было указано в [1]. Впоследствии такие системы были названы инвариантными [2–4]. По этой проблеме имеется большое число публикаций. Достаточно подробно эта проблема изложена в [5], где приводится классификация задач проектирования инвариантных систем управления и различных типов возмущений. Бурное развитие теории робастных систем управления началось с публикации [6], в которой были доказаны необходимые и достаточные условия устойчивости интервальных полиномов. Разработаны различные подходы и методы построения робастных систем управления и исследования их устойчивости [7–9]. Это минимаксные методы [10, 11]. В [5] с помощью алгебраических методов получены условия разрешимости задачи построения инвариантных систем с помощью обратной связи. Синтез робастных систем с помощью матричных неравенств изложен в [12]. Применение адаптивных систем вместе с внутренней моделью возмущений рассмотрено в [13, 14]. В [15, 16] используются специальные фильтры, применение которых позволяет скомпенсировать возмущения, а также путем идентификации параметров гармонического сигнала получить его оценку для формирования компенсирующего управления. В [17] излагается подход к синтезу статических робастных регуляторов для линейных систем на основе решения линейно-квадратичной задачи, основанной на параметризации уравнения Лурье – Риккати. Применение метода инвариантных эллипсоидов для подавления возмущений рассмотрено в [18]. Особенно следует отметить различные подходы, базирующиеся на методе «2-Риккати подход». Данный метод, предложенный в [19], является способом решения задачи оптимального управления в норме H∞. При этом постановка задачи осуществляется в частотной области, а решение ищется в пространстве состояний путем решения двух уравнений Риккати. В этом же направлении выполнены исследования в [20, 21]. В [22, 23] для компенсации возмущений выделяется сигнал, несущий информацию обо всех возмущениях. Этот сигнал служит для получения их оценки, на базе которых формируется управляющее воздействие. В предлагаемой статье приведен принцип построения робастной системы слежения с измеряемым вектором состояния, все компоненты которого подвержены действию помех. Источником возмущений и помех является один и тот же векторный сигнал. При этом предполагается, что параметры математической модели объекта управления известны. Предлагаемый подход позволяет получить оценку значения помех, в результате чего появляется возможность спроектировать систему управления, в которой осуществляется компенсация помех и подавление внешних ограниченных возмущений. Естественно, что на математическую модель объекта управления накладываются определенные ограничения, которые будут приведены в следующем разделе. Постановка задачи Пусть математическая модель динамических процессов в объекте управления имеет вид , (1) где – вектор состояния; – вектор измерения; – управляющее воздействие; – регулируемая переменная; – вектор помех и возмущений; – числовые матрицы соответствующего порядка. Сформулируем хорошо известную задачу слежения. Требуется спроектировать алгоритмическое обеспечение системы управления для слежения за эталонным сигналом таким образом, чтобы выполнялось целевое условие (2) где величина характеризует точность слежения по истечении времени с момента начала работы системы. Будем решать сформулированную задачу при следующих ограничениях. Предположения 1. Известны значения элементов матриц 2. Объект является управляемым и наблюдаемым. 3. Полином – гурвицев, т. е. объект является минимально-фазовым, где – комплексная переменная в преобразовании Лапласа; – единичная матрица; – высокочастотный коэффициент усиления. 4. Источник помех возмущений является ограниченной векторной функцией времени. 5. Матрицы – гурвицевы. Оценка вектора помех Для решения сформулированной задачи будем пользоваться методом, предложенным в [22]. Возьмем вспомогательный контур, математической моделью которого является уравнение (3) и составим уравнение для вектора рассогласования вычитая (3) из (1): Если бы производная измерялась, то оценку вектора можно было бы получить, решая уравнение Поэтому необходимо получить оценку вектора , для чего воспользуемся устройством, динамические процессы в котором описываются уравнением (4) где – достаточно малое число. Покажем, что существует число , обеспечивающее требуемую точность оценки вектора . Введем вектор , тогда из (4) получим следующее уравнение: (7) из которого следует, что выбором числа можно обеспечить сколь угодно малое значение , т. к. по предположениям 4 и 5 величина ограничена. Тогда оценку вектора помех получим из уравнения (8) Таким образом, получение оценки вектора равносильно решению уравнений (4)–(6). Применим преобразование Лапласа к уравнениям (4) и (6): Подставив значение из первого уравнения во второе, получим откуда следует Применив обратное преобразование Лапласа, получим . Здесь составляющая стремится к нулю, а величина достаточно мала в силу малости величины . Число выбирается так, что выполнено неравенство Сформируем новый вектор , который является оценкой вектора , и получим оценку регулируемой переменной: Система слежения Применим к уравнению (1) преобразование Лапласа, считая, что выходом является сигнал : (7) где – транспонированная матрица алгебраических дополнений матрицы , полиномы – гурвицевы и нормированы; – изображение начальных условий. Применим алгоритм деления Евклида к полиному : где Полином разложим на суммы двух составляющих: Здесь – гурвицев полином. Тогда, подставив полученные многочлены в (7) и применив обратное преобразование Лапласа, получим , где ; – оригинал изображения , который мажорируется затухающей экспоненциальной функцией, т. к. полином – гурвицев, – оператор дифференцирования. Составим уравнение для ошибки : . Здесь . В [22] показано, что алгоритм управления , где – достаточно малая величина, обеспечивает выполнение условия – произвольное малое число. Тогда из равенства следует оценка . Если выбрать числа так, чтобы выполнялось условие , то будет выполнено целевое условие (2). Таким образом, система управления, компенсирующая ограниченные внешние возмущения и помехи измерения, описывается следующими уравнениями: , (8) , . Для иллюстрации работы данного алгоритма слежения рассмотрим числовой пример. Пример Рассмотрим объект управления, математическая модель которого имеет вид Эталонный сигнал имеет вид Система управления (8) описывается следующими уравнениями: , , . На рис. 1 приведены результаты моделирования при следующих исходных данных: Рис. 1. Переходные процессы в системе слежения На управляющее воздействие было наложено ограничение . Результаты моделирования показывают, что через 4 секунды величина ошибки слежения не превышает значения 0,005. На рис. 2 представлены переходные процессы, когда . Рис. 2. Переходные процессы по управлению и ошибке слежения Величина ошибки слежения через 6 секунд не превышает значения 0,04. Заключение Предложен простой подход к проектированию робастных систем слежения, в которых компенсируются внешние ограниченные возмущения и помехи измерения вектора состояния, когда источником возмущений и помех является один и тот же векторный сигнал.
References

1. Schipanov G. V. Teoriya i metody proektirovaniya avtomaticheskih regulyatorov / G. V. Schipanov // Avtomatika i telemehanika. 1939. № 1. S. 49-66.

2. Kuhtenko A. I. Problemy invariantnosti v avtomatike / A. I. Kuhtenko. Kiev: Gosizdat tehn. lit. USSR, 1963. 376 s.

3. Petrov B. N. O realizuemosti usloviy invariantnosti / B. N. Petrov // Teoriya invariantnosti i ee primenenie v avtomaticheskih ustroystvah: Tr. 1-go Vsesoyuz. sovesch. Kiev: Izd-vo AN USSR, 1959. S. 59-80.

4. Petrov B. N. Princip invariantnosti i usloviya ego primeneniya pri raschete lineynyh i nelineynyh sistem / B. N. Petrov // Tr. 1-go Mezhdunar. kongressa IFAK po avtomaticheskomu upravleniyu. M.: Izd. AN SSSR, 1961. T. 1. S. 259-263.

5. Bukov V. N. Vlozhenie sistem. Analiticheskiy podhod k analizu i sintezu matrichnyh sistem / V. N. Bukov. Kaluga: Izd-vo nauch. lit. N. F. Bochkarevoy, 2006. 720 s.

6. Haritonov V. L. Asimptoticheskaya ustoychivost' semeystva sistem lineynyh differencial'nyh uravneniy / V. L. Haritonov // Differencial'nye uravneniya. 1978. T. 14, № 11. S. 2086-2088.

7. Polyak B. T. Robastnaya ustoychivost' i upravlenie / B. T. Polyak, P. S. Scherbakov. M.: Nauka, 2002. 303 s.

8. Polyak B. T. Chastotnye kriterii robastnoy ustoychivosti i aperiodichnosti lineynyh sistem / B. T. Polyak, Ya. Z. Cypkin // Avtomatika i telemehanika. 1990. № 9. S. 45-54.

9. Cypkin Ya. Z. Robastnaya ustoychivost' lineynyh sistem / Ya. Z. Cypkin, B. T. Polyak // Itogi nauki i tehniki. Ser.: Tehn. kibernetika. M.: VINITI, 1991. T. 32. S. 3-31.

10. Barabanov N. E. Sintez minimaksnyh regulyatorov / N. E. Barabanov. SPb.: Izd-vo S.-Pb. un-ta, 1996. 224 c.

11. Kurzhanskiy A. B. Upravlenie i nablyudenie v usloviyah neopredelennosti / A. B. Kurzhanskiy. M.: Nauka, 1977. 392 s.

12. Balandin D. V. Sintez zakonov upravleniya na osnove lineynyh matrichnyh neravenstv / D. V. Balandin, M. M. Kogan. M.: Fizmatlit, 2007. 280 s.

13. Nikiforov V. O. Nelineynaya sistema upravleniya s kompensaciey vneshnih determinirovannyh vozmuscheniy / V. O. Nikiforov // Izv. RAN. Teoriya i sistemy upravleniya. 1997. № 4. S. 69-73.

14. Nikiforov V. O. Adaptivnoe i robastnoe upravlenie s kompensaciey vozmuscheniy / V. O. Nikiforov. SPb.: Nauka, 2003. 282 s.

15. Bobcov A. A. Algoritm robastnogo upravleniya lineynym ob'ektom po vyhodu s kompensaciey neizvestnogo determinirovannogo vozmuscheniya / A. A. Bobcov // Izv. RAN. Teoriya i sistemy upravleniya. 2003. № 2. S. 93-97.

16. Bobcov A. A. Algoritm robastnogo upravleniya neopredelennym ob'ektom bez izmereniya proizvodnyh reguliruemoy peremennoy / A. A. Bobcov // Avtomatika i telemehanika. 2003. № 8. S. 82-96.

17. Bukov V. N. Analiticheskiy sintez robastnyh regulyatorov na osnove parametricheskih uravneniy Lur'e - Rikkati / V. N. Bukov, N. I. Sel'vesyuk // Avtomatika i telemehanika. 2007. № 2. S. 6-16.

18. Nazin S. A. Podavlenie ogranichennyh vneshnih vozmuscheniy s pomosch'yu metoda invariantnyh ellipsoidov / S. A. Nazin, B. T. Polyak, M. V. Topunov // Avtomatika i telemehanika. 2007. № 3. S. 106-125.

19. Doyle J. C. State-space solution to standard H2 and H∞ control problems / J. C. Doyle, K. Glover, P. P. Khargonekar, B. A. Francis // IEEE Trans. Automat. Control. 1989. Vol. 34, N 8. P. 831-847.

20. Francis B. A. On H∞-optimal sensitivity theory for SISO feedback systems / B. A. Francis, G. Zames // IEEE Trans. Automat. Control. 1984. Vol. 29. P. 9-16.

21. Glover K. Robust stabilization of linear multivariable systems: relation to approximation / K. Glover // Intern. J. Control. 1986. Vol. 43, N 3. P. 741-766.

22. Cykunov A. M. Adaptivnoe i robastnoe upravlenie dinamicheskimi ob'ektami po vyhodu / A. M. Cykunov. M.: Fizmatlit, 2009. 268 s.

23. Cykunov A. M. Robastnoe upravlenie s kompensaciey vozmuscheniy / A. M. Cykunov. M.: Fizmatlit, 2012. 298 c.

This work is licensed under Creative Commons Attribution 3.0 Unported

© "Редакция научных журналов"
Support Powered by Editorum,  Instructions
Login or Create
* Forgot password?